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2. Propriedades de uma Substância Pura (Diagramas p-ν-T) Termodinâmica I - 2º semestre de 2014 Kelly Hofsetz UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS FACULDADE DE CIÊNCIAS APLICADAS Substâncias Puras - Composição determinada - Não podem ser separadas por meios físicos - T constante durante a mudança de estado SIMPLES - substâncias puras mais simples - não podem ser decompostas por meios químicos COMPOSTAS - constituídas de 2 ou mais átomos (elementos) - podem ser decompostas por meios químicos Resumo A substância pura A substância pura 2.1) Uma substância pura: a) é necessariamente uma substância simples b) tem composição variável c) é necessariamente uma substância composta d) é formada apenas por um tipo de molécula e) é formada apenas por moléculas de átomos diferentes Exercícios de Aprendizagem 2.2) Considerando os sistemas abaixo relacionados, identifique aquele formado apenas por substâncias simples: a) enxofre, oxigênio, iodo e fósforo b) água, água do mar, ferro e alumínio c) ar atmosférico, água do mar, granito d) aço carbono, aço, bronze e ouro Exercícios de Aprendizagem Figura 2.1. Estados de uma substância pura. Estados das substâncias q Para sabermos se o sistema está em equilíbrio, devemos isolar o mesmo de suas vizinhanças e aguardar por mudanças em suas propriedades observáveis. q Se não acontecerem mudanças, concluímos que o sistema estava em equilíbrio no momento em que ele foi isolado. q Assim, pode-se dizer que o sistema está em um estado de equilíbrio termodinâmico. Equilíbrio q Temperatura de Saturação é a temperatura em que ocorre a vaporização a uma dada pressão. q Essa pressão é chamada de Pressão de Saturação para uma dada temperatura. Equilíbrio de fases Figura 2.2. Mudança de fase líquida para vapor da água pura a pressão constante. Equilíbrio de fases Figura 2.3. Esquema qualitativo de um diagrama p-T de uma substância pura. Diagrama p-T de uma substância pura Sólido Líquido Vapor P T 1 2 3 C Curva de Sublimação Curva de Fusão Curva de Vaporização Ponto Triplo Ponto Crítico Diagrama p-T de uma substância pura P T Sólido Líquido Vapor Gás Fluido 1 2 3 C Tc Temperatura crítica Pc Pressão crítica Diagrama p-T de uma substância pura ■ Curva 2-C → curva de saturação líquido-vapor (Equilíbrio L+V). ■ Ponto 2 → ponto triplo → Equilíbrio S+L+V. ■ Ponto C → ponto crítico (Tc, Pc à valores mais elevados nos quais uma espécie química pura pode ainda existir em equilíbrio líquido/ vapor). ■ Curva 2-3 → Equilíbrio L+S → temperaturas de fusão ou congelamento. ■ Curva 1-2 → Equilíbrio S+V → temperaturas de sublimação. P T Sólido Líquido Vapor1 2 3 C RESUMO: P atm. P atm. P atm. P atm. P atm. 25 oC, L 100 oC, (L+V) 150 oC, V 1 2 3 4 5 O que diferencia os estados 2, 3 e 4 ? Diagrama p-T de uma substância pura – H2O ■ Como entre o estado de líquido saturado e vapor saturado os valores de temperatura e pressão, para uma substância pura, não se alteram, havendo variação apenas na quantidade de vapor presente e no volume do sistema, é importante definir uma grandeza que auxilie a compreender em que ponto o sistema se encontra durante o processo de vaporização. ■ Essa grandeza é denominada título ou qualidade e é definida como a relação entre a massa de vapor do sistema e sua massa total. (2.1) massa de vapor massa total Título x= = Título q Uma propriedade intensiva termodinâmica qualquer (digamos M, que pode ser entalpia, energia interna, massa específica, volume específico, etc) para um sistema constituído de uma mistura (líquido + vapor) saturada, pode ser calculada pela Eq. (2.2): (2.2a) Ou: (2.2b) ( )1Vsat LsatM x M x M= ⋅ + − ⋅ )MM(M M LsatVsatLsat −+= x Título ■ Ou, ao contrário, o valor de x pode ser o b t i d o a p a r t i r d a s g r a n d e z a s termodinâmicas, rearranjando a Eq. (2.2): (2.3) § O título tem significado somente quando a substância está no estado saturado (líquido e vapor coexistem), isto é, na P e T de saturação. Lsat Vsat Lsat M Mx M M − = − Título P atm. P atm. P atm. P atm. P atm. 1) líquido comprimido (ou sub-resfriado) 2) x = 0 à líquido saturado (ou ponto de bolha) 3) 0 < x < 1 à mistura (líquido + vapor) saturada 4) x = 1 à vapor saturado (ou ponto de orvalho) 1 2 3 4 5 Diagrama p-T de uma substância pura Em Termodinâmica à EQUILÍBRIO = SATURAÇÃO 5) vapor superaquecido P T 1 2 3 4 d’’ a’’ a’’’ d’’’ a’ d’ 2.3) Analisando o diagrama p-T de um fluido puro, como a água, por exemplo, descreva cada um dos processos observados na figura. Exercícios de Aprendizagem Figura 2.A. Diagrama p-T para a água. 2.4) Analisando o diagrama p-T de um fluido puro, descreva cada um dos estados e processos observados na figura. Estado Descrição Processo Descrição 1 1 → 2 2 2 → 3 3 3 → 4 4 4 → 5 5 5 → 6 6 6 → 7 7 7 → 8 8 P T 3 1 2 5 7 4 6 8 Exercícios de Aprendizagem Figura 2.B. Diagrama p-T para uma substância pura. Diagrama p-T de substâncias puras Figura 2.4. Diagrama p-υ de uma substância pura, mostrando as fases líquida e vapor. Diagrama p-ν de uma substância pura ■ Curva BC → pontos de líquido saturado. ■ Curva CD → pontos vapor saturado. ■ Ponto C → ponto crítico. ■ Esquerda da curva BC → região de líquido comprimido. ■ Direita da curva CD → região de vapor superaquecido. ■ Abaixo da curva BCD → região de equilíbrio líquido-vapor. ■ Pontos ao longo das linhas horizontais dessa região (J e K) → todas as possíveis misturas de líquido e vapor em equilíbrio. Diagrama p-ν de uma substância pura ■ Linhas tracejadas → isotermas (bastante inclinadas na região de líquido). ■ Traçando-se uma reta horizontal paralela ao eixo do volume, a partir do valor de Pc, é possível definir a região de fluido, que será aquela que está acima dessa reta horizontal e acima da isoterma de Tc. Diagrama p-ν de uma substância pura 2.5) Analisando o diagrama p-υ de um fluido puro, descreva cada um dos estados e processos observados na figura. Estado Descrição Processo Descrição 1 1 → 2 2 2 → 3 3 3 → 4 4 4 → 5 5 5 → 6 6 6 → 7 7 7 → 8 8 υ Exercícios de Aprendizagem Figura 2.C. Diagrama p-ν para uma substância pura. Figura 2.5. Diagrama T-υ de uma substância pura (água), mostrando as fases líquida e vapor. Diagrama T-ν de uma substância pura ■ Linhas de Pressão constante → representam os estados pelos quais a água passa quando é aquecida a partir do estado inicial de 0,1 MPa e 20ºC. Diagrama T-ν de uma substância pura q Linha AB: aquecimento do L desde a T inicial até a T de saturação,a P cte e aumento de volume. q Ponto B → estado de L saturado (99,6ºC). q Ponto C → estado de V saturado. q Linha BC → processo de mudança da fase L para a fase V, a T e P cte e aumento de volume. q Linha CD → processo de superaquecimento do V a P constante, com aumento de volume. q Ponto D → estado de V superaquecido. Diagrama T-ν de uma substância pura ■ Trajetória ABCD: q Ponto A → estado inicial (0,1 MPa e 20ºC). q Linha MNO → não existe processo de vaporização a T constante. q Processo de aquecimento a P constante nas condições críticas. q Ponto N → ponto de inflexão com inclinação nula e é chamado de ponto crítico. q No ponto crítico, os estados de L e V são idênticos. q Temos a temperatura crítica, pressão crítica e volume crítico. Diagrama T-ν de uma substância pura ■ Trajetória MNO: q Ponto M → estado inicial (22,09 MPa e 20ºC). ■ Trajetória PQ: q Ponto P → estado inicial (40 MPa e 20ºC). Diagrama T-ν de uma substância pura q Linha PQ → processo de aquecimento a P constante numa pressão maior que a pressão crítica. ■ Não temos duas fases presentes. ■ Variação contínua de ρ e apenas uma fase presente. ■ Quando teremos líquido e quando teremos vapor? q Não é uma questão válida para pressões supercríticas. q A substância é chamada de fluido. 2.6) Analisando o diagrama T-υ de um fluido puro, descreva cada um dos passos da trajetória IJKL: Figura 2.D. Diagrama T – ν para a água mostrando as fases líquida e vapor Exercícios de Aprendizagem § Para entender o significado do termo propriedade independente, considere os estados de líquido saturado e vapor saturado de uma substância pura. § Esses dois estados apresentam a mesma P e a mesma T, mas são totalmente diferentes. Assim, no estado de saturação, a P e a T não são propriedades independentes. § Duas propriedades independentes, tais como a pressão e volume específico, ou pressão e título, são necessárias para especificar um estado de saturação de uma substância pura. Propriedades independentes de uma substância pura § O estado de uma substância pura simples compressível (isto é, uma substância pura na ausência de movimento, ação da gravidade e efeitos de superfície, magnéticos ou elétricos) é definido por duas propriedades independentes. § Por exemplo, se o volume específico e a temperatura do vapor superaquecido forem especificados, o estado do vapor estará determinado. Propriedades independentes de uma substância pura
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